新能源汽車有別于傳統燃油車最核心的技術就是“三電”——電驅,電池,電控。其中逆變器這個器件在電動汽車領域已經變的舉足輕重,沒有它電動車根本跑不起來,并且逆變器的性能直接影響著電動車的價格,那么這個小東西到底是干什么用的,下面就了解一下。
先普及一下三電和DC、AC的基礎知識:
其中,電驅由三部分構成:傳動機構、電機、逆變器。
簡單介紹一下AC、DC:
交流電AC的特點:大小和方向都發生周期性變化。交流電在生活民用電壓220V、通用工業電壓380V,都屬于危險電壓。它的最基本的形式是正弦電流,我國交流電供電的標準頻率規定為50Hz。
直流電DC的特點:方向不隨時間發生改變。直流電一般被廣泛使用于手電筒(干電池)、手機(鋰電池)等各類生活小電器等。干電池(1.5V)、鋰電池、蓄電池等被稱之為直流電源,都低于24V。
我們想要真正了解逆變器的作用,就得先知道車載動力電池的原理。
新能源汽車能夠跑起來是因為電機帶動了車輪,而電機的電量來自于電池,但動力電池是以直流電存儲,電機使用的是交流電。交流電機必須依靠正弦波交流電才能驅動旋轉。但車載動力電池能夠輸出的是直流電,逆變器的作用就是把直流電轉換成正弦波交流電,并且它還控制著交流電機的轉速和扭矩。所以,要想把DC轉變AC運轉,就要靠逆變器。
所以,對于配備交流感應電機的電動車,必須通過逆變器,把電池包輸出的高壓直流電轉換成可控制幅值和頻率的正弦波交流電,才能驅動車輛行駛。
正弦波的獲得是通過方波演變而來的。首先了解一下方波的形成。請看電路圖,這個神奇的電路叫做Full Bridge Inverter,全橋逆變電路。它的結構很簡單,由四個開關(S1-S4)組成。A和B為電路輸出端的正負極。
通過開關控制,電流的流向發生了逆轉,通過不斷閉合開關,方型交流電就產生了。我們日常的家用220V電源頻率為50Hz這就意味著每分鐘需要開關100次。如此高的頻率沒有人能控制得了,所以需要接入場效應管,例如IGBT或MOSFET,這個電子元件可以實現每分鐘上千次的開關。
通過場效應管的開關控制,可以獲得我們所需要的方波,但我們要的是正弦波。這里就涉及到了一個技術名詞——脈寬調制。
當前,我們已經按照固定的頻率開閉開關形成了方波,如果將開關的頻率在需要更大的地方產生更大的脈沖…如下圖。
試想一下,如果我們對單位時間的脈沖求得平均值,它就會變成?
這是一條很接近與正弦曲線的圖形,脈沖越精確,切換的頻率越高,所得的曲線就越光滑。我們可以通過比較器進行對脈沖串的調制就能獲得平滑的正弦波曲線。
還有一種方法叫做重電壓逆變技術——在電路當中增加電容和電感的方式用于平滑曲線。電容用于平滑電壓曲線,電感用于平滑電流曲線。就好比在電路上增加了一個小容量的水庫(二級緩存),電容就相當于一個可以瞬間充放電的電池,它能吸收電壓脈沖,讓輸出曲線變得平滑。以上所說的只有一組電壓就能實現正弦波的輸出,如果用多組電壓進行調制,就能獲得精度更高的正弦波曲線,并且控制精度也更加精準。這種方法多用于風力發電機或電動汽車。
下面來看一段視頻,你就會能更清楚的理解方波——正弦波的演變過程;
簡單來說,逆變器(Power Inverter)是一種能夠將 DC12V直流電轉換為和市電相同的 AC220V交流電,供一般電器使用,是一種方便的車用電源轉換器。若一臺電動汽車的逆變器能支持較高電壓,則相應的電壓充電流較大,功率較大,這意味著同樣電流進行充電,充電功率可以等比例放大,即充電時間會縮短。
若提高逆變器的支持電壓,則相應的充電時逆變器產生的熱量會變多,那么就需要解決逆變器中IGBT模塊的散熱問題,這是提高充電效率的關鍵問題,目前日本豐田對此研究較深入,例如其加硅碳技術的應用。
此外,逆變器性能的好壞直接決定電機的性能表現,也是各大新能源汽車企業的核心技術。所以逆變器技術的掌握和突破就如同燃油車時代的變速箱技術一樣,將會成為新能源汽車產品的核心技術。隨著新一代半導體功率器件的發展,可以看出,IGBT和SiC是未來電機控制系統和充電樁的主力干將。
IGBT在電力驅動系統中屬于逆變器模塊,將動力電池的直流電逆變成交流電提供給驅動電動機。它約占新能源汽車電機驅動系統及車載充電系統成本的40%,其性能直接決定了整車的能源利用率。
SiC功率器件的損耗是Si器件的50%左右,主要用于實現電動車逆變器等驅動系統的小量輕化。
一提到純電動汽車,大多數人第一反應都是特斯拉,尤其是最近特斯拉的頻繁動作,讓其知名度變得更高,那么特斯拉到底好在哪,為什么就是比國產純電動汽車受歡迎?下面的視頻介紹了特斯拉的充電原理,一起學習一下。
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